一種三角網格模型數控加工的多刀具優化組合選擇方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于數控加工技術領域，特別設及一種Ξ角網格模型數控加工的多刀具優 化組合選擇方法。
【背景技術】
[0002] 在數控加工中，為了提高加工效率一般會盡量選用大尺寸的刀具，但對于復雜的 幾何模型，往往會存在大尺寸刀具無法加工的干設區域，因此還需要小尺寸刀具進行干設 區域的加工。而對于復雜的幾何模型，不同刀具組合的加工效率可能會存在較大差距，因此 刀具的優化組合選擇也是數控加工領域的重要研究內容。
[0003] 目前，在刀具組合優化方面，國內外已經對模具2.加型腔做了大量研究且得到相 對成熟的研究理論，運些理論已被推廣到模具3D型腔，但很顯然，運些研究無法應用到曲面 加工中。針對連續的自由曲面，李海燕等人在學術期刊《制造裝備技術》2007,（3)，Ρ18-20發 表的學術論文"五軸數控加工中多刀加工自由曲面的刀具選擇"、Li Η Υ等人在學術會議 "Proceedings of the IEEE. International Conference on Automation and Logistics (2008)"發表的學術論文"A geometric method for optimal multi-cutter selection in 5-axis finish cut of sculptured surfaces"、Geng L等人在學術其月干U《Computer- Aided Design》2011,8(2),P301-313發表的學術論文''A neural network based approach to 5-axis tool-path length estimation for optimal multi-cutter selection"中基 于不同尺寸刀具加工面積的統計進行最優刀具組合選擇，沒有考慮曲面幾何形狀對加工效 率的影響。化ng D C Η等人在學術期刊《Computer-Aided Desi即》1999,31(5)，P303-315中 發表的學術論文('Interference detection and optimal tool selection in 3-axis NC machining of free-form surface"、Lo C等人在學術其月干U《Computer-Aided Design》 2000,32(10)，P597-603中發表的學術論文"Two-stage cutter-path scheduling for ball-end milling of concave and wall-bounded surfaces"和南京航空航天大學的趙 世田在2011年的學位論文《自由曲面加工刀具路徑軌跡規劃算法研究》中基于刀具軌跡長 度估算選取最優刀具組合。但此類方法進行軌跡長度估算時對整個模型采用單一的估算模 型，也沒有考慮不同表面特征對刀具軌跡長度的影響，軌跡長度估算不準確。Bey Μ等人在 學術會議('International Conference on Smart Manufacturin邑 Application,2008"發 表的學術論文"Cutting Tool Combination and Machining Strategy Affectation Based on the Determination of Local Shapes for Free form Surfaces"考慮了不同 類型區域對加工時間的影響，但加工策略方面只考慮平行截面法和等高線法，且采用模擬 方法獲取加工時間時勢必需要生成刀具軌跡，影響效率。
[0004] 總之，現有針對曲面模型的刀具組合優化的方法中，沒有全面考慮模型幾何形狀 對加工的影響，而是W精度不高的結果作為優化選擇判斷標準來選取最優刀具組合，導致 算法的準確性有待進一步提高；同時也需要采用合適的刀具優化組合方法進一步增強適應 性。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于克服現有技術的不足，提出一種Ξ角網格模型數控加工的多刀 具優化組合選擇方法，可W通過將復雜Ξ角網格模型分割后建立不同軌跡長度估算模型， 并通過人工智能算法獲得優化刀具組合，能夠更加有效、精準地獲得復雜Ξ角網格模型的 高效加工刀具組合。
[0006] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：
[0007] -種Ξ角網格模型數控加工的多刀具優化組合選擇方法，包括如下步驟：
[0008] 步驟1，基于讀入到內存的Ξ角網格模型數據，建立無冗余的點表和面表;基于半 邊數據結構，建立Ξ角網格模型的面片、邊和頂點的完整拓撲信息；
[0009] 步驟2,采用局部二次擬合方法計算Ξ角網格頂點及面片的最大主曲率和最小主 曲率，所述最大主曲率大于等于最小主曲率;基于面片法矢及面片的最大主曲率和最小主 曲率，將Ξ角網格模型曲面分為睹壁特征區域、平坦特征區域、阱特征區域、峰特征區域和 混合特征區域五類特征區域;ΚΞ角面片為生長元素，采用區域生長法實現網格模型分割；
[0010] 步驟3，ΚΞ角面片為基本單元在阱特征和混合特征區域查找刀具干設區域；
[0011] 步驟4,建立各特征區域的刀具軌跡長度計算公式：
[0012]
[001引其中L康示刀具軌跡長度，Ai表示加工區域i的面積，gi為行距，Si日和Sii分別表示 區域i的外邊界和內邊界長度；
[0014] 步驟5,根據模型Ξ角面片的最大主曲率及標準刀具尺寸確定最小刀具;采用遺傳 算法優化其他尺寸刀具。
[0015] 所述將Ξ角網格模型曲面分為睹壁特征區域、平坦特征區域、阱特征區域、峰特征 區域和混合特征區域五類特征區域，具體是：
[0016] W最大主曲率ki為橫坐標、最小主曲率k2為縱坐標建立主曲率坐標系，根據不同情 況設定Z軸分量闊值V。、平坦曲率闊值k。、阱特征區域曲率闊值kt和峰特征區域曲率闊值ks， 各特征子區域表示為：
[0017] 睹壁特征區域:Vz < V。，其中Vz為面片法矢的巧由分量；
[001引平坦特征區域:kl2+k22非。2;
[0019]阱特征區域:ki2+k22〉k。2，且k2〉kt，其中 kt 含 0.01;
[0020] 峰特征區域:山2+1?2〉心2，且kl<ks，其中ks > -0.01;
[0021] 混合特征區域:ki〉0、k2<0且不屬于上述各區域。
[0022] 步驟3中所述的ΚΞ角面片為基本單元在阱特征和混合特征區域查找刀具干設區 域，包括：
[0023] ①在整個查找區域內，根據面片最大主曲率ki判斷刀具Ri發生曲率干設的面片并 存儲干設面片，所述曲率干設的判斷原則是:若l/ki<Ri，則發生曲率干設；
[0024] ②若步驟①中的面片不發生曲率干設，W整個查找區域內所有面片的中屯、點及頂 點建立K-D樹；
[0025] ③將不發生曲率干設的面片中屯、點、頂點分別沿面片法矢、頂點法矢偏置刀具半 徑Ri距離，W偏置點為捜索中屯、，WRi-scallop/2為捜索范圍進行K-D捜索，面片中屯、和面片 頂點干設的判斷原則是:檢測面片中屯、點時，若捜索到的干設點數目大于1，則判定該面片 中屯、點對應的面片發生干設;一個Ξ角面片內至少有兩個頂點在干設檢測時，捜索到的干 設點數目大于1，則判定該面片發生干設；
[00%]所述scallop為殘留高度；
[0027] ④將已查找到的干設面片周圍刀具半徑范圍內的面片設置為干設面片。
[0028] 所述偏置點計算公式如下：
[0029] 〇j = Pj+nRi
[0030] 其中化為偏置點;門為面片中屯、點或面片頂點;η對應為面片法矢或面片頂點法矢； Ri為大刀具半徑。
[0031] 步驟4中計算刀具軌跡長度時，不同特征區域采用不同的加工策略，在給定加工殘 留高度h、曲面法曲率K的情況下，刀具Ri加工各類型區域的行距gi具體是：
[0032] ①睹壁特征和平坦特征區域分別采用等高線法和行切等截面刀軌生成策略，行距 gi計算公式為：
[0033]
[0034] ②峰特征區域采用環切等殘留高度法刀軌生成策略，行距gi計算公式為：
[0035]
[0036] ③阱特征區域采用環切等殘留高度法刀軌生成策略，行距gi計算公式為：
[0037]
[0038] ④混合特征區域采用行切等殘留行切法刀軌生成策略，行距gi計算公式為：
[0039]
[0040] 在阱特征、峰特征和混合特征區域的行距計算公式中，運Ξ種特征子區域按照曲 率值細分成幾個部分，每個部分取曲率中值代入到行距公式中計算刀軌長度。
[0041] 步驟5中所述最小刀具的值是固定的，選擇方法為：
[0042] 小刀具尺寸的值小于1/ki，并從標準刀具尺寸系列中選擇小于1/ki且最接近1/ki 的一個尺寸。
[0043] 步驟5中所述其他尺寸刀具選擇方法為采用遺傳算法進行優化選擇，適應度函數 表不為：
[0044] F(x)=k/f(x)
[0045] 其中f(x)為估算的刀具軌跡長度，k表示比例系數。
[0046] 本發明具有如下有益效果：
[0047] (1)本發明提供的Ξ角網格模型數控加工的多刀具優化組合選擇方法，在特征分 割的基礎上，進行有針對性的軌跡長度估算